大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電力電網(wǎng)系統(tǒng)繼電保護(hù)問(wèn)題探討

王志安

摘要：風(fēng)電場(chǎng)接入電力電網(wǎng)系統(tǒng)，給電力系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)，但是也給傳統(tǒng)的繼電保護(hù)帶來(lái)了諸多新的課題。文章闡述了風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電機(jī)組的故障特性、大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護(hù)問(wèn)題、大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電力電網(wǎng)系統(tǒng)的繼電保護(hù)思路及方法。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模風(fēng)電接入；電力系統(tǒng)；繼電保護(hù)；風(fēng)電機(jī)組；電能輸送；電網(wǎng)運(yùn)行 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM773 文章編號(hào)：1009-2374（2016）32-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.043

電網(wǎng)的安全運(yùn)行離不開繼電保護(hù)，作為電網(wǎng)安全運(yùn)行必不可少的要素，可以快速準(zhǔn)確地查找到故障所在并將其隔離，從而盡可能地降低對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的危害，最大程度地保證電能的平穩(wěn)輸送以及應(yīng)用。風(fēng)能越來(lái)越為廣泛應(yīng)用，隨之而來(lái)的則是風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的極大影響。尤其是風(fēng)電場(chǎng)的接入不同則繼電保護(hù)裝置的故障各有其特性，其復(fù)雜化個(gè)性化的特點(diǎn)，就使得研究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入的繼電保護(hù)問(wèn)題尤為緊迫與重要，從而確保電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電機(jī)組的故障特性

繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)以及計(jì)算均是以故障特性為基礎(chǔ)進(jìn)行的。那么對(duì)風(fēng)電場(chǎng)以及風(fēng)電機(jī)組的故障特性進(jìn)行分析就是必不可少的。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)的基礎(chǔ)是三相對(duì)稱系統(tǒng)和同步發(fā)電機(jī)電源。在這個(gè)基礎(chǔ)上建立的繼電保護(hù)理論體系存在著自身不足，此理論假設(shè)故障出現(xiàn)時(shí)，同步發(fā)電機(jī)是以恒態(tài)存在的，也就是故障發(fā)生前后，其運(yùn)行的狀態(tài)和參數(shù)沒(méi)有改變，一如既往，并計(jì)算相應(yīng)的短路電流和其衰減特性，以此作為整定繼電保護(hù)原理和選擇開關(guān)設(shè)備的依據(jù)。目前，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組使用的發(fā)電機(jī)都是異步發(fā)電機(jī)，由于其自身結(jié)構(gòu)的特殊性而形成的故障特征也就具有了特殊性，必須要與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)的特性進(jìn)行區(qū)分。永磁直驅(qū)機(jī)組雖然是同步發(fā)電機(jī)，但是在并網(wǎng)后，不論是在故障特征還是在短路電流上都已經(jīng)于并網(wǎng)前發(fā)生了非常大的改變。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，普通的異步發(fā)電機(jī)可以提供短暫的、短時(shí)間就可以衰減為零的極大電流，缺乏提供持續(xù)提供短路電流的能力。雙饋式的發(fā)電機(jī)在故障發(fā)生時(shí)，其短路電流要小于前者，但衰減時(shí)間比前者長(zhǎng)，故可以提供連續(xù)的短路電流。

2 大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護(hù)問(wèn)題

伴隨著風(fēng)電在電力電網(wǎng)中的百分比的逐步增加，繼電保護(hù)的問(wèn)題日益凸顯。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了探究，現(xiàn)綜述如下：

風(fēng)電電源接入后，電力系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò)要隨著升壓變壓器的接地而發(fā)生了與之相對(duì)應(yīng)的變化，結(jié)果就是使得零序保護(hù)的靈敏度降低；并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的自動(dòng)重合閘在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線跳開后很難重合。之所以出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題是因?yàn)槲覀儑?guó)家現(xiàn)階段使用的是在電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)接入風(fēng)力電源的檢同期方式，這就要求具有穩(wěn)定性，來(lái)保證供電的平穩(wěn)進(jìn)行，但是大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)在聯(lián)絡(luò)線跳開后，風(fēng)機(jī)會(huì)進(jìn)入動(dòng)態(tài)過(guò)程，檢同期成功與否就存在著不確定的可能，繼而出現(xiàn)自動(dòng)重合閘無(wú)法重合，最終導(dǎo)致風(fēng)電脫網(wǎng)事故的出現(xiàn)；拒動(dòng)向常態(tài)轉(zhuǎn)化。缺乏弱饋保護(hù)的專門設(shè)備將會(huì)使得并聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)線的保護(hù)性能大大降低，從而出現(xiàn)拒動(dòng)由偶發(fā)變?yōu)槌B(tài)。

風(fēng)電場(chǎng)接入電力電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)速斷保護(hù)的影響。配電網(wǎng)的主保護(hù)是以傳統(tǒng)電流也就是同步發(fā)電機(jī)提供的短路電流為速斷保護(hù)，而風(fēng)電場(chǎng)是以類似于異步發(fā)電機(jī)方式提供短路電流，這就使得風(fēng)電場(chǎng)接入電力電網(wǎng)系統(tǒng)后產(chǎn)生影響速斷保護(hù)的問(wèn)題；距離保護(hù)的動(dòng)作裕度降低。異步發(fā)電機(jī)的阻抗是正電抗與負(fù)電阻的特征，所以阻抗平面軌跡很有可能至第二象限，進(jìn)而使距離保護(hù)動(dòng)作幅度降低；電磁暫態(tài)過(guò)程被忽視。由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組和機(jī)群在現(xiàn)實(shí)中的客觀問(wèn)題，如分布以及型的不同，使得理想化的組合——理想電源與系統(tǒng)抗組組成的經(jīng)典串聯(lián)模型難以得到，自然也就無(wú)法通過(guò)采用等效風(fēng)電場(chǎng)的方式來(lái)獲得相應(yīng)的電磁暫態(tài)；風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)性對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)的影響。風(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模的應(yīng)用必然伴隨并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)問(wèn)題，這與測(cè)量所得電流、電壓還有風(fēng)電隨機(jī)電源的個(gè)性化的特殊的故障問(wèn)題密切相關(guān)。實(shí)質(zhì)上就是對(duì)整定與管理高壓電網(wǎng)的繼電保護(hù)工作提出了更高的要求。

3 大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電力電網(wǎng)系統(tǒng)的繼電保護(hù)思路及方法

風(fēng)電場(chǎng)接入電力電網(wǎng)系統(tǒng)的繼電保護(hù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者仁者見仁，智者見智，至今并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的研究工作也只是局部地片面地開展，缺乏系統(tǒng)化的深入研究。本文認(rèn)為，對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電力電網(wǎng)系統(tǒng)的保護(hù)問(wèn)題應(yīng)從以下方面來(lái)展開深入的

研究：

3.1 故障出現(xiàn)后的電流波形特點(diǎn)的研究

繼電保護(hù)的關(guān)鍵是要進(jìn)行短路故障特征的分析，只有分析清楚問(wèn)題的所在，才能夠著手進(jìn)行問(wèn)題的解決。參考相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)研究者在對(duì)短路電流的最大值以及短路電流衰減特性上進(jìn)行了大量的深入研究，也有從繼電保護(hù)的配合與整定上來(lái)對(duì)保護(hù)的影響展開工作進(jìn)行研究。這些研究是必要的但是卻不是本質(zhì)的。繼電保護(hù)體系中，主保護(hù)作用的重要地位不容質(zhì)疑，而衡量主保護(hù)性能的關(guān)鍵的、本質(zhì)的因素是繼電保護(hù)的根本原理——故障暫態(tài)的濾波算法以及波形特征。波形特征以及濾波算法的異同，不論是在計(jì)算工頻電器量還是在保護(hù)判據(jù)方面都會(huì)產(chǎn)生很大的差別，對(duì)于結(jié)果的判別也都有著非常大的影響，是繼電保護(hù)性能中決定性的因素。這就要求我們?cè)诎l(fā)生故障短路后，必須進(jìn)行電流波形特征的分析以求加強(qiáng)電網(wǎng)繼電保護(hù)自動(dòng)裝置與風(fēng)電場(chǎng)操控系統(tǒng)的配合。

3.2 建立電磁暫態(tài)仿真模型

在電力電網(wǎng)系統(tǒng)中，永磁直驅(qū)機(jī)組和雙饋型風(fēng)電機(jī)組所占百分比越來(lái)越大，這些風(fēng)電機(jī)組的控制，就成為繼電保護(hù)中必須要考慮的、不可忽視的要素。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與傳統(tǒng)的三相同步發(fā)電機(jī)組，不論是從其原理還是從接入方式上都有著很大的改變，這就要求在大規(guī)模風(fēng)電接入電力電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，從電網(wǎng)的可靠、安全以及穩(wěn)定等方方面面來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的模型建立。又由于對(duì)以變速恒頻機(jī)組為主的機(jī)型的廣泛應(yīng)用，雖然可控性得到了提高，也使得復(fù)雜性大為增長(zhǎng)。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中耦合了多種物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，因此采用仿真方法對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究比以往的采用解析方法對(duì)其進(jìn)行研究有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。此外，在制造企業(yè)不能提供完整控制策略的現(xiàn)實(shí)條件下，建立通用仿真模型也是必須的。暫態(tài)仿真可以從多方面提供支持與幫助，如在風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)以及各種策略以及控制的驗(yàn)證方面。

3.3 加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)集群的電線路保護(hù)機(jī)理的開發(fā)

風(fēng)電場(chǎng)集群的電線路短路故障會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組或機(jī)群母線電壓降低，如果在故障切除時(shí)不能夠迅速進(jìn)行，將會(huì)給電力系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性和安全性帶來(lái)負(fù)面影響，從而造成大面積脫網(wǎng)事故。在進(jìn)行故障識(shí)別并隔離時(shí)，想要保證這項(xiàng)工作的順利完成，就必須考慮到短路電流的問(wèn)題，因?yàn)榭刂颇K在沒(méi)有持續(xù)性的短路電流的提供下，已經(jīng)使得短路電流的波形發(fā)生了改變。因此，要全面地分析風(fēng)電場(chǎng)集群的電線路故障特點(diǎn)，充分利用已有信息，不斷進(jìn)行技術(shù)以及原理的開發(fā)與研究。

3.4 重視風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)和電網(wǎng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的配合

風(fēng)電場(chǎng)的繼電保護(hù)的時(shí)限與定值必須與電網(wǎng)的保護(hù)進(jìn)行密切的契合。電網(wǎng)的保護(hù)和風(fēng)電場(chǎng)的整定分別由不同的單位進(jìn)行管理，如果想要更好地完成風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的工作，就必須要加強(qiáng)兩個(gè)單位之間的協(xié)調(diào)配合，只有兩者的成功協(xié)作才能避免由于定值問(wèn)題所造成的意外脫網(wǎng)事故。同時(shí)，也不要忽視在加強(qiáng)相應(yīng)的保護(hù)工作和風(fēng)電場(chǎng)控制工作的相互扶助、相互配合上多下功夫，從而構(gòu)建協(xié)調(diào)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)體系。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)以及科學(xué)技術(shù)的良好發(fā)展、大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電基地的大量建立、風(fēng)電應(yīng)用和技術(shù)的不斷增長(zhǎng)與革新以及人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，風(fēng)電場(chǎng)容量必將越來(lái)越大，在不久的將來(lái)，我國(guó)電力電網(wǎng)系統(tǒng)中，風(fēng)電電源的占比將會(huì)持續(xù)上升。在看到風(fēng)電應(yīng)用給我們帶來(lái)積極的正面的影響時(shí)，也不要忽略風(fēng)電接入給電力電網(wǎng)系統(tǒng)的繼電保護(hù)帶來(lái)的負(fù)面影響，尤其是近年來(lái)頻發(fā)的風(fēng)電基地脫網(wǎng)事故。風(fēng)電系統(tǒng)的安全性不是一個(gè)單一的技術(shù)問(wèn)題，而是一個(gè)需要多方面協(xié)同解決的整體的、系統(tǒng)性的、綜合的問(wèn)題，要在運(yùn)行中，進(jìn)行細(xì)致的全面的問(wèn)題分析，不斷總結(jié)并吸取正負(fù)兩方面的影響，積極地尋找解決問(wèn)題的途徑，從而保障風(fēng)電事業(yè)的穩(wěn)步、良性

發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：王 波）